Investigación sobre modelado de simulación de procesos químicos

La simulación de procesos químicos está naturalmente vinculada al cálculo de los balances de materia, energía y eventualmente cantidad de movimiento; de un proceso cuya estructura, y los datos preliminares de los equipos que lo componen, son conocidos.

Características del modelado de los procesos químicos.

Consiste en el diseño de un modelo matemático de un sistema, y la posterior ejecución de una serie de experimentos con la intención de entender su comportamiento bajo ciertas condiciones.

El modelo debe ser capaz de reproducir el comportamiento del proceso real con la mayor exactitud posible.

Secuencial-Modular

Los cálculos se realizan unidad por unidad, secuencialmente. Los procesos con reciclos debe ser descompuestos en varias secuencias de cálculo hasta lograr convergencia, usando los balances de masa y energía como criterio para terminar el cálculo.

Orientada a Ecuaciones

En este caso todas las ecuaciones del modelo, algebraicas no lineales y diferenciales, se integran en un único conjunto y se resuelven simultáneamente.

Este esquema es más flexible que el Secuencial-Modular, sin embargo requiere más esfuerzo de programación y se consumen más recursos de computación.

Módulos Simultáneos

Esta estrategia de solución combina los Módulos Secuenciales y Solución Orientada a Ecuaciones.

Modelos rigurosos de las operaciones unitarias son resueltos secuencialmente, mientras que modelos lineales son resueltos globalmente para interconectar los resultados de cada módulo.

Este parece ser el enfoque que a futuro se dará en los simuladores comerciales

Análisis de grados de libertad

Las herramientas de simulación pueden clasificarse según diversos criterios, por ejemplo, según el tipo de procesos (batch o continuo), si involucra el tiempo (estacionario o dinámico -incluye a los equipos batch-), si maneja variables estocásticas o determinísticas, variables cuantitativas o cualitativas, etc. A continuación se expondrán brevemente las características de los distintos tipos de herramientas de simulación generalmente utilizadas. Simulación cualitativa y cuantitativa Una de las principales diferenciaciones a realizar al analizar el enorme campo que abarca la simulación de procesos es la que nos ocupa en este apartado. La simulación cualitativa tiene por objeto principalmente el estudio de las relaciones causales y las tendencias temporales cualitativas de un sistema, como así también la propagación de perturbaciones a través de un proceso dado. Llamamos valores cualitativos de una variable, a diferencia del valor numérico (cuantitativo), a su signo; ya sea absoluto, o bien con relación a un valor dado o de referencia. Por lo tanto, en general se trabaja con valores tales como (+, -, 0). Son varios los campos de aplicación de la simulación cualitativa, como ser análisis de tendencias, supervisión y diagnosis de fallas, análisis e interpretación de alarmas, control estadístico de procesos, etc. La simulación cuantitativa, en cambio, es aquella que describe numéricamente el comportamiento de un proceso, a través de un modelo matemático del mismo. Para ello se procede a la resolución de los balances de materia, energía y cantidad de movimiento, junto a las ecuaciones de restricción que imponen aspectos funcionales y operacionales del sistema. Es a esta variante a la cual nos abocaremos en este y los próximos capítulos. La simulación cuantitativa abarca principalmente la simulación en estado estacionario y la simulación en estado dinámico. Simulación estacionaria y dinámica. La simulación en estado estacionario implica resolver los balances de un sistema no involucrando la variable temporal, por lo que el sistema de ecuaciones deseara estudiar o reflejar en el modelo las variaciones de las variables de interés con las coordenadas espaciales (modelos a parámetros distribuidos); entonces deberá utilizarse un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales (según el número de coordenadas espaciales consideradas). Un ejemplo puede ser la variación radial de la composición en un plato en una columna de destilación, la variación de las propiedades con la longitud y el radio en un reactor tubular, etc. Por lo general, en simuladores comerciales (no específicos) se utilizan modelos a parámetros concentrados y serán principalmente los analizados en esta obra.

Por último, también debe mencionarse la simulación de eventos discretos, en la cual existen variables de interés que no tienen un comportamiento continuo. Existen numerosos procesos que sólo pueden simularse desde este punto de vista. Por ejemplo, la simulación o diseño de plantas batch multiproducto o multipropósito, o de los mismos. Por último, también debe mencionarse la simulación de eventos discretos, en la cual existen variables de interés que no tienen un comportamiento continuo. Existen numerosos procesos que sólo pueden simularse desde este punto de vista. Por ejemplo, la simulación o diseño de plantas batch multiproducto o multipropósito, o ambas simultáneamente, poseen características que imponen un modelo discreto para contemplar ciertos eventos de interés. Desde este punto de vista, como se verá en el Capítulo XIX, se deberán utilizar modelos especiales para tratar funciones semicontinuas y en presencia de eventos discretos.

SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS COMPLEJOS

Debe diferenciarse la noción de un simulador general de procesos químicos de un programa de simulación de equipos o unidades operacionales aisladas. En efecto, mientras que para estas últimas sólo se requiere el modelo del equipo y un sistema de entrada/salida de datos para comunicarse eficientemente con el usuario, programar un simulador de uso general implica varios problemas adicionales.

Los aspectos vinculados a los cálculos de estimación de propiedades fisicoquímicas son bastante diferentes si se plantea el problema de un equipo dado procesando una mezcla determinada o bien un sistema generalizado capaz de simular diversos procesos de separación (por ejemplo mezclas ideales, no ideales, etc.). En este caso, deberá contarse con un sistema de estimación de propiedades generalizado, lo cual implica un problema de una magnitud muy importante. En efecto, deberá tener aptitud para calcular las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas (viscosidad, densidad, capacidades caloríficas, entalpías, constantes de equilibrio, etc.) tanto para sustancias puras como para mezclas. Particularmente dificultoso resulta el cálculo de propiedades tales como coeficientes de difusividad en mezclas líquidas, o bien las constantes de equilibrio en mezclas no ideales o en presencias de electrolitos, por ejemplo.

Son numerosos los aspectos instrumentales y metodológicos que deben superarse al diseñar un simulador de propósitos generales.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SIMULADORES GLOBALES U ORIENTADOS A ECUACIONES

Cada equipo se representa por las ecuaciones que lo modelan.

 El modelo es la integración de todos los subsistemas. –

Desaparece la distinción entre variables de proceso y parámetros operativos, por lo tanto se simplifican los problemas de diseño.

 Resolución simultánea del sistema de ecuaciones algebraicas (no lineares) resultante.

Mayor velocidad de convergencia.

 Necesita una mejor inicialización (mejor cuanto mayor sea el problema a resolver).

A mayor complejidad, menor confiabilidad en los resultados y más problemas de convergencia (soluciones sin sentido físico).

Más difícil de usar por "no especialistas".